基于双波长线性回归分析的相位型光纤振动解调方法开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的及意义

随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所以在很多领域都应用广泛。光纤传感器发展到现在，已经可以探测很多的物理量，给人们的生活带来了极大的益处。其中探测的物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移、生物医学量及化学量等等。光纤振动传感器就是这些中的一员。光纤振动传感器的出现已有30来年的历史，它是测量振动信号的。

振动是一种常见的物理现象，通过振动检测可以实现结构健康监测、灾害和异常事件的预警，振动探测是光纤传感技术的一个重要研究方向和应用领域。振动测量主要是测量振动的重要参数，如振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。将传感器测得的振动信号进行解调并转换为电信号，接着进行信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进行分析、显示的整个过程即为动态测量，振动测量属于动态测型。，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。(1)机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来。这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低；多用于测量低频、大振幅振动。(2)电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信号。这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的安全性。(3)光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的变化来测量。这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优点。振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了业内人士的广泛重视。研究新的光纤振动解调方法，使光纤振动传感器更好地适用于铁轨、周界安防、光纤水听器等存在超大幅度振动信号测量需求的应用领域，是我研究基于双波长线性回归分析的相位型光纤振动解调方法的目的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

(1) 熟悉干涉型光纤振动传感器相位调制和解调原理，并完成软件仿真；

(2) 了解双波长线性回归分析相位解缠原理，并完成算法仿真；

(3) 将双波长线性回归分析相位解调技术应用到光纤振动传感，实现大振动信号解调；

2.2技术方案及措施

2.2.1光纤相位调制原理

光纤的相位调制是指当传感光纤受到外界机械振动作用时，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光传输延迟引起相位变化，以实现对光相位的调制。光纤的相位调制中的通常用来测量振动的为马赫-泽德型光纤干涉仪。

马赫-泽德型光纤干涉仪原理图如图 1 所示。结构上，马赫-泽德型光纤干涉仪主要由 2 个 3 dB 耦合器和 2 段光纤 L1和 L2 组成，其中 L1 称为信号臂，L2 称为参考臂。

光源发出的光经耦合器 1 时被分成 2 束，一束经过信号臂 L1，一束经过参考臂 L2，然后在耦合器 2 处发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵法分析可得输出端的光强为：

图 1 光纤振动传感实验系统图

马赫-泽德型光纤干涉仪应用于传感解调。解调系统是整个传感系统的核心，解调是指通过检测信号波长的偏移量来检测被测参数的变化。

2.2.2 3×3 耦合器解调方法

一般的３×３耦合器，同步采集得到的有效干涉脉冲对应３×３耦合器三路输出电压信号表达式为：

式中为与干涉仪输入光强、耦合器分光比 和 光 路 损 耗 有 关 的 参 数，为 待 测 信号， 为初始相位， 是 固 定 相位 差。令，则由公式可得到的矩阵形式为

公式表明对于一般的３×３耦合器，通过三路输出的线性组合即可构造具有90°相位差的两路信号和，记 ，其中为任意非零常数，则有

公式与数字反正切技术相结合即可实现信号解调。

由公式可知，当 和为定值时，参数不随光强变化。解调结

果中含有一个未知的初相位，但这并不影响动态信号的检测。公式与数字反正切技术相结合可以用非常小的计算量实现信号解调，而当光强变化导致同时按照一定的倍数变化时，信号解调并不失真。

2.2.3双波长回归分析相位解缠算法

由于三角函数的周期性，干涉图中各点的相位值只能落入主值（-π，π]的范围内，所以干涉纹图中的相位只是真实相位的主值，要得到反映高程信息的真实相位值必须对每个相位值加上2 的整数倍，这个过程称为相位解缠。

3×3 耦合器解调方法解调结果中含有一个未知的初相位，无法正确得到光纤振动的真实相位，我拟用双波长回归分析相位解缠算法解决这个问题。通过对一个光纤同时测得两组振动方程马赫-泽德型光纤干涉仪，我们有：

变换可得：

理论上，在不存在相位和波长测量不确定的情况下，对于整数值和，可以精确地求解的这个线性方程。此外，除非这两个波长有一个公共因子，否则无歧义的高度测量范围将扩展到无穷大，因为只有一组整数和，所以公式完全正确。当涉及实际相位测量时，的这个线性方程可以用四舍五入来确定最有可能的整数和。

其中是公式之间的变化量。通过找到使m1最接近最近整数的m2值，我们可以判断出正确的整数波长数，并重新建立原始光纤的振动方程。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉实验环境。

第6－9周：搭建实验平台，进行实验测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张华勇, 王利威, 施清平, et al. 光纤水听器时分复用系统通过3×3耦合器信号解调的一种新算法[j]. 中国激光, 2011, 38(5):163-169.

[2] 张楠. 基于外差检测的干涉型光纤水听器阵列系统若干关键技术研究[d]. 国防科学技术大学, 2013.

[3] 裴雅鹏 杨 军 苑立波，光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术。哈尔滨工程大学理学院光纤传感器研究所，哈尔滨 150001